单片机STM32F1随机数生成探索与实践（基于CUBEMX和KEIL5）

发表于 2023-12-20 15:41

随机数广泛地用于游戏、以及测试环境中，本文产生的随机数将用于测试排序算法性能。

一些高端型号的单片机具有硬件的随机数发生器，如STM32F4,STM32H7等，从这些单片机的随机数发生器的结构，其原理产生模拟噪声信号并采集，使用该硬件可以产生真随机数。但是低端单片机，如STM32F1,8051等没有随机数发生器，只能利用软件生成伪随机数。

生成伪随机数时，通常使用<stdlib.h>中的随机数生成函数。但是，使用前必须要明确一点，这个随机数生成函数并不是灵丹妙药，否则高端型号的单片机也不需要随机数发生器了。欲想生成较为随机的随机数，必须在每次生成随机数前，提供一个不同的随机数种子。

发表于 2023-12-20 15:42

生成随机数的代码如下：

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    #include <stdlib.h>        

    srand(每次需要一个不同的无符号整型数值);//随机数种子设置

        #define RANDOM_MAX        65535                //随机数最大值

        #define RANDOM_MIN  0                        //随机数最小值

        uint32_t random_value;

        random_value = rand() % (RANDOM_MAX + 1 - RANDOM_MIN) + RANDOM_MIN;//随机数生成

        printf("        当前随机数为：%d\r\n", random_value);

发表于 2023-12-20 15:42

有了这寥寥几行代码就已经足够产生一个想要的随机数了，但是离成功还差最后一步，就是随机数种子的产生。

经测试，每次生成随机数时，必须给不一样的种子，否则生成的随机数将会相同。

随机数种子产生的方式有很多种，常用的随机数产生的方式有：使用定时器产生、使用实时时钟产生、使用模拟电路产生并使用ADC采集。其中模拟电路产生的方式的具体效果将由模拟电路结构决定，本文仅针对定时器产生和实时时钟产生两种方式进行探索和实践。

发表于 2023-12-20 15:43

首先是实时时钟的方式

实时时钟的配置如下：

发表于 2023-12-20 15:43

读取时间的代码如下：

RTC_DateTypeDef  date_info;
RTC_TimeTypeDef  time_info;
HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &time_info, RTC_FORMAT_BIN);    //读时间
HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &date_info, RTC_FORMAT_BIN); //读日期
srand(time_info.Hours+time_info.Minutes+time_info.Seconds);//随机数种子设置

发表于 2023-12-20 15:43

注意：在使用STM32的RTC时，无论是仅需要时间还是仅需要日期，读取时都需要日期和时间全部读取，且必须先读取时间后读取日期（在STM32H7和STM32F0中必须是这个顺序否则无法正常使用）。

发表于 2023-12-20 15:44

该代码将时间作为随机数种子，即每秒都会改变，实际测试如下图所示：

发表于 2023-12-20 15:44

从图中可以清晰地看到，每秒内，产生的随机数相同。使用该方法若想产生真随机数，则只能每秒产生一个。如下图所示：

发表于 2023-12-20 15:44

这样虽然可以产生随机数，但是不能满足测试需求，因为笔者需要快速产生若干随机数用于测试排序算法。所以必须要找到一个高于随机数生成速度更新的随机数种子。此处使用定时器产生。

发表于 2023-12-20 15:48

定时器可以工作在很高的频率，并设置定时器为自动重装模式，即可周而复始得产生快速变化得数值。定时器配置界面如下：

发表于 2023-12-20 15:50

需要手动配置地方如图中黄色区域所示，其余部分默认即可。其中PSC分频器配置可选择其他值，不要选太大否则定时器数值变化仍旧很慢。Auto-reload自动重装必须要打开。

发表于 2023-12-20 15:50

使用该方法后，代码如下（此处使用TIM3）：
HAL_TIM_Base_Start(&htim3);//打开定时器
srand(__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3));//随机数种子设置
#define RANDOM_MAX 65535 //随机数最大值
#define RANDOM_MIN 0 //随机数最小值
uint32_t random_value;
random_value = rand() % (RANDOM_MAX + 1 - RANDOM_MIN) + RANDOM_MIN;//随机数生成
printf(" 当前随机数为：%d\r\n", random_value);

发表于 2023-12-20 15:51

亦可将此方法与实时时钟结合使用，即：

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        HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &time_info, RTC_FORMAT_BIN);          

        HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &date_info, RTC_FORMAT_BIN);

        printf("当前时间：%2d:%2d:%2d", time_info.Hours, time_info.Minutes, time_info.Seconds);         

        HAL_TIM_Base_Start(&htim3);

        srand(time_info.Hours+time_info.Minutes+time_info.Seconds+__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3));//随机数种子设置

        #define RANDOM_MAX        65535                //随机数最大值

        #define RANDOM_MIN  0                        //随机数最小值

        uint32_t random_value;

        random_value = rand() % (RANDOM_MAX + 1 - RANDOM_MIN) + RANDOM_MIN;//随机数生成

        printf("        当前随机数为：%d\r\n", random_value);

发表于 2023-12-20 15:51

运行效果如图，可以快速产生随机数，且满足要求：

发表于 2023-12-20 15:51

本部分完整的代码如下，由于使用FreeRTOS，此处仅展示产生随机数这个进程的代码：

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#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include "rtc.h"

#include "tim.h"

/* USER CODE BEGIN Header_Algorithm_Function */

/**

* [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url] Function implementing the Algorithm_Task thread.

* @param argument: Not used

* @retval None

*/

/* USER CODE END Header_Algorithm_Function */

void Algorithm_Function(void *argument)

{

  /* USER CODE BEGIN Algorithm_Function */

        RTC_DateTypeDef  date_info;

        RTC_TimeTypeDef  time_info;

        printf("勇敢牛牛，不怕困难\r\n");

  /* Infinite loop */

  for(;;)

  {

        HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &time_info, RTC_FORMAT_BIN);          

        HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &date_info, RTC_FORMAT_BIN);

        printf("当前时间：%2d:%2d:%2d", time_info.Hours, time_info.Minutes, time_info.Seconds);         

        HAL_TIM_Base_Start(&htim3);

        srand(time_info.Hours+time_info.Minutes+time_info.Seconds+__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3));//随机数种子设置

        #define RANDOM_MAX        65535                //随机数最大值

        #define RANDOM_MIN  0                        //随机数最小值

        uint32_t random_value;

        random_value = rand() % (RANDOM_MAX + 1 - RANDOM_MIN) + RANDOM_MIN;//随机数生成

        printf("        当前随机数为：%d\r\n", random_value);

    osDelay(77);

  }

  /* USER CODE END Algorithm_Function */

}

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